【導讀】效率，降低生產(chǎn)成本的特點。在實用的基礎上，對自動上下料機械手直臂與夾持部件。進行三維設計，其中分為三個部分，手爪、手腕、直臂。設計手爪為平移型夾持式手。爪，傳動結構為滑動絲桿。手腕為回轉型，轉動角度為0-180°，傳動結構為蝸輪蝸。整體機械手為直角坐標型，驅動均為電機驅動，結構。簡單可靠，精度高。

　　

【正文】 圖 蝸輪蝸桿箱蓋 圖 蝸輪軸承蓋 機械設計及制造 29 圖 蝸輪軸承蓋開口 圖 嵌入式軸承蓋 機械設計及制造 30 圖 嵌入式軸承蓋開口 本章小結 本章對機械手手腕的類型及回轉裝置進行了設計。先對蝸輪蝸桿結構進行設計分析計算設計，對電機進行了選型。然后用 Pro/e 畫出三維圖 ,用 AutoCAD 畫出二維圖（二維圖見附錄）。 。 機械設計及制造 31 5 直臂部分的三維設計 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應該具備 3 個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅動機構和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手 部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結構、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。 手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括 3 個運動：伸縮、回轉和升降。本次設計主要講直臂的升降。 手臂的結構的選擇及其驅動機構 機械手的手臂升降伸縮運動都為直線運動。直線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅動滾珠絲杠來實現(xiàn)。 我們選用滾珠絲杠結構的手臂，螺母帶動絲杠進行升降和平移，采用電機驅動。結構如下圖：中間為絲杠，兩邊為光桿。 運行方式為電機帶動錐齒輪，繼而帶動絲杠螺母，絲杠螺母是固定點，相對的絲杠做上下移動。 滾珠絲杠設計 （計算部分由小組成員張益完成本人參與討論和數(shù)據(jù)修改） （ 1）選取的滾珠絲杠轉動系統(tǒng)為：磨制絲杠 (右旋 ) 上固定端到螺母間距離 (臨界長度 ) mmltop 1056? 下固定端到螺母間距離 (臨界長度 ) mmldown 1086? 設計后絲杠總長 mmlall 1280? 最大行程 mml 1250? 支承方式為兩端固定 機械設計及制造 32 定位精度： 由表得，有效行程內目標行程公差 meP ?47? ，行程變動量 mVup ?39? 由表得，任意 300mm行程內行程變動量 mV p ?23300 ? ， 2π弧度內行程變動量mV p ?? 82 ? 絲杠精度為 5 級，可靠性 90%。 （ 2）計算載荷 手腕手爪部分重量 kgm 15? NkgNkgmgG 150/1015 ???? （重力加速度取 kgNg /10? ） ..........................（ ） 軸向載荷 NFma 150? （ 3）初算導程： 絲杠螺母轉速 min/20xxrn ? ， 直臂移動速度 smmv /167? m in/20xxrnnm ?? 初算導程 mmnvP mh ?? ，所以取 mmPh 5? （ 4） 選工作壽命： hLh 20xx0? （ 5）由表得， NffLnFfC cahmmawam 6 7 71 0 0/)60( 3/139。 ?? ， .............................................................（ ） NFfC maeam 100539。39。 ?? 式中， 查機械手冊得，精度系數(shù) ?af 查機械手冊得，可靠性系數(shù) 1?cf 查機械手冊得，載荷性質系數(shù) ?wf 查機械手冊得，預加載荷系數(shù) ?ef 機械設計及制造 33 所以， NCam ? （ 6） 靜載計算：由機械手冊得， NFf as 300max ? ，式中 2?sf ..........................（ ） （ 7）選取滾珠絲杠型號：采用外循環(huán)導珠管埋入式 CDM 型。 其中 160?d ， ?d ， 50?hP ， kNCa ? ， kNCoa ? 滿足承載能力要求。 （ 8）計算預緊力： NFFaP 5031 m a x ??， ama FF ?max ................................................（ ） （ 9） nd 值校驗 由機械手冊得， 7 0 0 0 03 2 0 0 02 0 0 016m a x0 ????nd ，符合要求。 （ 10）臨界轉速校核 m in/2 5 0 7/10 2 227 rLfdn cc ?? ....................................................................................（ ） 式中，查機械手冊得， ?f mmll downc 10862 ?? m in/20xxm in/ rrnn c ???? 滿足轉速要求 （ 11） 螺桿強度： 螺桿材料為 45 鋼，調質處理，其許用應力 MPap 60][ ?? 螺桿當量應力： ][) 120(3) 1504()(3)4( 2322321222 pcaM P adTdF ??? ????????? ....（ ） 式中， mmNnPT ??? 11 符合強度要求 (12)系統(tǒng)剛度計算 bK 機械設計及制造 34 剛性為機械剛度的指標，滾珠絲杠的剛性取決于螺桿與螺母之間軸向負荷珠槽接觸剛性及螺桿軸的剛性來決定。機械驅動系統(tǒng)總剛性的慣性經(jīng)由測試，可將螺帽 —螺桿及鋼珠 — 珠槽兩者間的剛性合二為一，成為螺帽剛性 nK ，因此 nSb KKK111 ?? ....................................................................................................（ ） 20 22 ????? ldK S 1 7) (4 4 )( 3131 ?????? CFRK Pn ? mNKKKnsb ?/11 ??? 錐齒輪設計 錐齒輪傳動的特點：錐齒輪是圓錐齒輪的簡稱，它用來實現(xiàn)兩相交軸之間的傳動 ,兩軸交角 S 稱為軸角，其值可根據(jù)傳動需要確定，一般多采用 90176。錐齒輪的輪齒排列在截圓錐體上，輪齒由齒輪的大端到小端逐漸收縮變小，如下圖所示。由于這一特點，對應于圓柱齒輪中的各有關 圓柱 在錐齒輪中就變成了 圓錐 ，如分度錐、節(jié)錐、基錐、齒頂錐等。錐齒輪的輪齒有直齒、斜齒和曲線齒等形式。直齒和斜齒錐齒輪設計、制造及安裝均較簡單，但噪聲較大，用于低速傳動（＜ 5m/s）；曲線齒錐齒輪具有傳動平穩(wěn)、噪聲小及承載能力大等特點，用于高速重載的場合。本節(jié)采用 S=90176。的標準直齒錐齒輪傳動。 圖 錐齒輪 機械設計及制造 35 計算條件：負載轉矩 mNT ?? ，直線錐齒輪，傳動比為 2 0 0 03 0 0 00 ??? nni，錐齒輪轉速 m in/2 0 0 0m in ,/3 0 0 0 21 rnrn ?? 材料為 45 鋼，調質處理，齒面硬度 HBS=217~255，齒面粗糙度 mRR ZZ ? ?? 錐齒輪設計計算： （計算部分由組員張益完成本人參與數(shù)據(jù)討論修改） ： 電機軸端齒輪轉矩 mNT ?? 載荷系數(shù) ?K 齒數(shù)比 ?i 估算時，安全系數(shù) 39。 ?HS ， 接觸疲勞強度極限 MPaH 52539。 lim ?? 因此估算時的齒輪許用接觸應力 M P aM P aS HHHP 39。39。 l i m39。 ??? ?? ...................（ ） 估算結果： mmde 3 239。 1 ???? 所以 mmidd ee 39。139。 2 ?? 考慮到絲杠需從錐齒輪 2 中心穿過，且所選用絲杠的公稱直徑 mmd 160 ? ，絲杠螺母mmD 361 ? ，故取 mmde 722 ? ， mmde 481 ? 齒數(shù)：取 36,24 21 ?? zz 大端模數(shù)： mmzdm ee 211 ?? .....................................................................................（ ） 1） .齒根彎曲疲勞強度設計 其條件為 ? ? ? ?1 0 .5t F a SaFFRK F Y Ybm?????? .....................................................................（ ） 其中 載荷系數(shù) AvK K K K K??? FaY 齒形系數(shù) SaY 應力校正系數(shù) 機械設計及制造 36 R? 齒寬系數(shù) 查機械手冊得 AK ＝ 1 查圖得 vK ＝ 查機械手冊得 K? ＝ 查表得 K? ＝ 可得 FaY ＝ 可得 SaY ＝ R? 取常用值 1/3 代人計算得 ? ? ? ?1 . 5 1 0 2 . 1 1 . 5 0 . 5 6 21 0 . 5 2 1 0 . 5 / 3 2 4t F a S aF RK F Y Ybm? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? .......................（ ） 即 ? ? 380FF M Pa???? ，故安全。 2） .齒面接觸疲勞強度計算 其條件為? ? ? ?1 2 315 * 1 0 .5H E HRRKTZ du????? ? ? ................................................（ ） 其中 EZ 彈性影響系數(shù) 查機械手冊得 EZ ＝ 12162MPa 代人計算得 ? ? ? ?1 22331 * 5 * 162 * * 1 1 / 3 * 1 / 3 * 24 * RR KTZ M Padu? ? ? ?? ? ? ? .....................................................................................................................................（ ） 即 ? ? 540HH M Pa???? ，故安全。 電機選型 計算條件：絲杠軸向工作載荷約為 NFm 150? ，絲杠移動速度 smmv /167? 機械設計及制造 37 圓錐齒輪傳遞效率 ?? 設計計算： 絲杠工作的功率： 6 71 5 01 ???? NFvP ...................................................（ ） 絲杠轉矩 1 2 11 ?? nPT 電機選用同步轉速 min/30000 rn ? 的三相異步電機，速比 0 0 03 0 0 00 ??? nni 電機輸出軸負載轉矩： ???LT 電機輸出軸功率 0 ?? LL TnP ..........................................................................（ ） 電機選用 YS5012 三相異步電動機 機械手直臂部分三維出圖及主要零部件出圖 圖 直臂結構三維圖 機械設計及制造 38 圖 直臂部分傳動機構三維圖 圖 滾珠絲桿螺母 機械設計及制造 39 圖 直臂套筒 圖 光桿絲桿連接件 機械設計及制造 40 圖 直臂箱體 圖 直臂箱蓋 本章小結 本章對機械手直臂的類型及升降裝置進行了設計。先對滾珠絲桿結構和錐齒輪進行設計分析計算設計，對電機進行了選型。然后用 Pro/e 畫出三維圖 ,用 AutoCAD 畫出二維圖（二維圖見附錄）。 機械設計及制造 41